Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

Prezentacja na temat: "Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska"— Zapis prezentacji:

1 Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska
Energy Harvesting Zygmunt Kubiak Instytut Informatyki Politechnika Poznańska

2 Drgania mechaniczne – 300 μW/cm³ Siła wiatru
Energy Harvesting Energy Harvesting (EH) – technika pozyskiwania energii z otoczenia (samozasilanie) EH jest wykorzystywana do tworzenia autonomicznych, elektronicznych systemów z własnym zasilaniem pozyskiwanym z otoczenia, nie wymagających użycia baterii Największą wartością współczynnika gęstości energii charakteryzują się baterie słoneczne (źródła fotowoltaiczne) – 15 mW/cm³, ale jest problem pochmurnych dni i nocy – spadek do 10 μW/cm³ Drgania mechaniczne – 300 μW/cm³ Siła wiatru Energia cieplna (gradient temperatury) Energia kinetyczna Energia gradientów zasolenia Energia elektromagnetyczna (liczne nadajniki RTV) Zygmunt Kubiak

3 Energy Harvesting Inne źródła energii: ruch fal – urządzenia oceaniczne, ruch ramienia – zegarki: energia gromadzona przez nawijanie sprężyny powrotnej lub ruch magnesu w cewce – indukowanie SEM Źródła energii elektromagnetycznej: istniejące źródła RF i celowe źródła RF (w RFID) Ogniwo fotowoltaiczne (ang. Photovoltaic, PV): rozpowszechnione rozwiązania – krzem amorficzny (ASI), nowe rozwiązania – ogniwa słoneczne uczulane barwnikiem (ang. dye- sensitized solar cell, DSSC, DSC lub DYSC) to cienkowarstwowe, przezroczyste ogniwa, w których główną rolę odgrywa barwnik (analogia liścia) – trwają badania nad DSSC w ciałach stałych z wykorzystaniem perwoskitu; rekord prototypów – sprawność 15% Utlenianie glukozy we krwi – mikrobiologiczne ogniwa paliwowe - mogą one być wykorzystywane do zasilania wszczepianych urządzeń elektronicznych (np. rozruszniki serca, wszczepione biosensory dla diabetyków, wszczepione aktywnych urządzeń RFID, etc.) Zygmunt Kubiak

4 Bio-energy Harvesting – m.in..wykorzystanie metabolizmu drzew
Zmiana ciśnienia atmosferycznego – np. do zasilania zegarów mechanicznych Moc ludzka – sportowiec do ok. 300 Wh, dorośli Wh, zdrowy robotnik średnio 75 W przez 8h Energia biomechaniczna – opaska na kolanie może dostarczyć moc ok. 2,5 W Polimery elektroaktywne (EAP) – wysoka wydajność konwersji energii – ocenia się, że masa układów opartych na EAP jest znacznie niższa niż opartych na materiałach piezoelektrycznych Zygmunt Kubiak

5 LTC3588-1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply
Napięcie wyjściowe ustawiane cyfrowo: 1,8V, 2,5V, 3,3V, 3,6V Prąd wyjściowy do 100 mA Prąd spoczynkowy 950 nA Napięcie wejściowe 2,7V do 20V Zygmunt Kubiak

6 LTC3588-1 - Nanopower Energy Harvesting Power Supply
Zygmunt Kubiak

7 S6AE101A – układ dla ogniw solarnych
Energy Harvesting S6AE101A – układ dla ogniw solarnych Układ do zasilania sensorów IoT oraz węzłów w sieci bezprzewodowych czujników Urządzenie widoczne na załączonej grafice to moduł węzła WSN (Wireless Sensor Node) składający się z ogniwa fotowoltaicznego 10x10mm, dwóch rezonatorów kwarcowych oraz układu Bluetooth Low Energy z ceramiczną anteną. Miniaturowym urządzeniem zarządza mikrokontroler z rdzeniem ARM Cortex-M0. Układ zaczyna pracować już przy 1,2µW energii zasilającej, która może zostać wygenerowana przez ogniwa solarne przy natężeniu 100lx. S6AE101A w trakcie spoczynku pobiera prąd rzędu 250nA.  Zygmunt Kubiak

8 Energy Harvesting Przykład Zygmunt Kubiak
Zygmunt Kubiak

9 Energy Harvesting Bateria litowa LiSOCl2 charakteryzuje się długą żywotnością – 15 lat i więcej Ma bardzo wysoką wydajność energetyczna (Wh /kg), ale nie jest w stanie dostarczyć prądu o wartości większej niż np.. 20mA Źle znoszą pracę przy wyższych prądach Na poprzednim slajdzie schemat blokowy przedstawia sprawdzoną koncepcję rozwiązania powyższego problemu zasilania z użyciem układu TPS62740 i super- kondensatora co znacznie przedłuża życie baterii Kondensator ładowany jest z baterii niskim (kontrolowanym) prądem a sam może dostarczyć dużego prądu obciążenia Zygmunt Kubiak

10 Energy Harvesting W przykładowej aplikacji dla potrzeb węzła wM-Bus przyjęto założenia: Napięcie baterii = 3,6V Prąd maksymalny baterii = 3 mA Czas transmisji = 200ms Moc transmisji = 1000mW Aby dostarczyć energii do transmisji wybrano kondensator 0,47F (muRata EDLC typu DMF3Z5R5H474M3DTA0) ładowany tylko do 2,7V (trwałość ponad 15 lat) Uzyskano sprawność powyżej 90% Zygmunt Kubiak

11 Energy Harvesting Charakterystyki rozładowania baterii litowej LiSOCL2
Czas pracy do 15 lat i więcej Zygmunt Kubiak

12 Energy Harvesting Ładowanie kondensatora ze źródła napięciowego
Zygmunt Kubiak

13 Energy Harvesting Zygmunt Kubiak

14 Energy Harvesting Większość czasu napięcie jest utrzymywane na 1.9V, aby zminimalizować straty mikrokontrolera oraz innych prądów upływu w aplikacji (faza 1) Zygmunt Kubiak

15 Energy Harvesting Przed bezprzewodową transmisją danych, kondensator jest naładowany do 2.7V (faza 2) Zygmunt Kubiak

16 Energy Harvesting Podczas transmisji zmagazynowana energia w kondensa- torze jest pobierana - spadek napięcia do 1.9V (faza 3) Zygmunt Kubiak

17 Energy Harvesting Przykładowy pobór prądu w inteligentnym czujniku bezprzewodowym ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 1/2012 Zygmunt Kubiak

18 Energy Harvesting Japońskie linie lotnicze, Japan Airlines zainstalowały 13 nadajników BLE (BLE Beacons), które nie wymagają baterii. Dzięki technologii firmy Spansion, opartej o układy scalone zarządzające energią (PMIC), które zbierają energię z otoczenia, nadajniki te – w teorii – nie będą wymagać nigdy ładowania ani baterii. Zygmunt Kubiak

19 Energy Harvesting Porównanie przetworników Energy Harvesting
Zygmunt Kubiak

20 Energy Harvesting Porównanie przetworników Energy Harvesting
Zygmunt Kubiak

21 Energy Harvesting Porównanie przetworników Energy Harvesting
Zygmunt Kubiak

22 Energy Harvesting Małe ogniwa fotowoltaiczne
ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak

23 Energy Harvesting Przykłady przetworników energii: a) moduł termoelektryczny TEG Ferrotec 9500, b) moduł fotoelektryczny Panasonic AM-1454, c) moduł piezoelektryczny Mide V25W, d) moduł elektromagnetyczny EnOcean ECO2000, e) elastyczny moduł fotoelektryczny 9W Brunton SolarRoll, f) moduł RF Powercast P2110 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak

24 Energy Harvesting Jakość źródeł energii
Problem charakterystyk obciążenia Źródła fotowoltaiczne (PV): napięcie stałe od ułamków wolta do kliku woltów, nieliniowa charakterystyka obciążenia z optymalnym punktem wydajności, wydajność zależna od temperatury i wieku ogniwa, charakterystyka zbliżona do źródła prądowego Moduły piezoelektryczne: napięcie przemienne od kilku do kilkudziesięciu woltów oraz bardzo duża rezystancja wewnętrzna Bardzo duże wymagania i często sprzeczne dla przetwornic: napięcie stałe, napięcie przemienne, szeroki zakres napięcia wejściowego, zmienna wydajność prądowa, różne kształty przebiegów wejściowych ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016 Zygmunt Kubiak

25 Energy Harvesting Analog Devices ADP5090 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016
Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

26 Energy Harvesting ADP5090 Układ klasy PMIC – wejście: panel PV lub generator TEG; współpraca z akumulatorem lub superkondensatorem jako magazynem energii; Poprawny start układu od napięcia wejściowego 380mV Prąd spoczynkowy < 380 nA Napięcie wyjściowe 2,2 V .. 5 V Moc pozyskiwana 10 μW … 1 mW Wymiary 3 mm x 3 mm, obudowa LFCSP16 Możliwość wyłączenia przetwornicy np. na czas transmisji RF Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

27 Energy Harvesting Cypress MB39C831 ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016
Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

28 Energy Harvesting Cypress MB39C831
Współpraca z panelami PV (łączonymi szeregowo) oraz generatorami piezo Zakres napięcia wejściowego 2,6 V do 23 V Prąd spoczynkowy 1,5 μA przy Vin = 4,5 V Napięcie wyjściowe definiowane cyfrowo 1,5 v .. 5,0 V (wej. S0…S2) Obciążenie do 100 mA Współpraca z akumulatorami Li-Po Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

29 Energy Harvesting Powercast P1110 Konwerter RF / DC
Wyspecjalizowane w przetwarzaniu energii o wysokiej częstotliwości pochodzącej z pól elektromagnetycznych Układ współpracuje z anteną o impedancji 50 , w paśmie MHz Zygmunt Kubiak ELEKTRONIKA PRAKTYCZNA 4/2016

30 Dziękuję za uwagę Zygmunt Kubiak